隨著電子信息領(lǐng)域的高速發(fā)展，電子及半導(dǎo)體器件朝著小型化、輕量化、高效能發(fā)展。功率密度的顯著增加造成了電子器件使用過程中產(chǎn)生的熱流密度越來越大，如果不能及時散熱，積聚的熱量將會嚴(yán)重影響電子器件的工作穩(wěn)定性和可靠性。因此，開發(fā)具有優(yōu)異熱性能的熱管理材料以實(shí)現(xiàn)高效散熱是電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的關(guān)鍵問題。

現(xiàn)有的電子封裝材料，如W-Cu、Mo-Cu、SiCp-Al、SiCp-Cu以及BeO-Cu等復(fù)合材料，均難以滿足未來高功率器件的散熱需求，在高輸出模塊的應(yīng)用中表現(xiàn)出局限性。行業(yè)內(nèi)追求更高導(dǎo)熱率的新型材料，金剛石銅就是其中的一種典型復(fù)合材料。

電子封裝常用復(fù)合材料性能比較

金剛石/銅復(fù)合材料

金剛石，作為自然界中硬度最高的物質(zhì)，同時還擁有極高的熱導(dǎo)率，其熱導(dǎo)率可達(dá)到1200W/m·K-2200W/m·K，但是金剛石的熱膨脹系數(shù)極低，僅為1.0ppm·K-1，無法與芯片等半導(dǎo)體材料相匹配。將高導(dǎo)熱金剛石作為增強(qiáng)相，與具有適配熱膨脹系數(shù)，且加工成型性好的金屬結(jié)合，得到金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，能夠在保證具有理想熱膨脹系數(shù)和密度的情況下，獲得更為優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。

在金剛石/金屬復(fù)合材料中，常選用銅、鋁、銀等高熱導(dǎo)的金屬作為基體。其中金屬銀的價格昂貴且密度較大，限制了金剛石/銀復(fù)合材料的工業(yè)應(yīng)用。金屬鋁和金剛石會發(fā)生反應(yīng)形成易水解、穩(wěn)定性差的Al4C3，嚴(yán)重衰退復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能和使用壽命。相比之下，銅的熱導(dǎo)率接近金屬銀，價格卻遠(yuǎn)低于銀，并且熱膨脹系數(shù)與金剛石相差最小，這些特性使得金屬銅更適合作為復(fù)合材料的基體。因此，金剛石/銅復(fù)合材料成為新一代極具發(fā)展?jié)摿Φ臒峁芾聿牧稀?/p>

圖源：寧波賽墨科技有限公司

金剛石銅的卓越性質(zhì)

高導(dǎo)熱率是金剛石銅最為突出的特性之一。通過合理的制備工藝和成分設(shè)計(jì)，目前商業(yè)化的金剛石銅產(chǎn)品熱導(dǎo)率普遍在550-1000W/(m·K)之間，是傳統(tǒng)純銅材料的1.5-2.5倍。這意味著在相同條件下，金剛石銅能夠更快速、高效地傳導(dǎo)熱量，大大提升了散熱效率。以電子設(shè)備為例，隨著芯片集成度的不斷提高，單位面積產(chǎn)生的熱量急劇增加，傳統(tǒng)散熱材料難以滿足需求，而金剛石銅的高導(dǎo)熱率則為解決這一問題提供了有效的方案，能夠及時將芯片產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

熱膨脹系數(shù)可調(diào)也是金剛石銅的一大亮點(diǎn)。通過調(diào)整金剛石顆粒在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)（通常在35%-70%之間），可以將其熱膨脹系數(shù)精確控制在5×10-6/K至10×10-6/K的范圍內(nèi)。這一特性使其能夠與多種半導(dǎo)體材料（如硅的熱膨脹系數(shù)為4.2×10-6/K，砷化鎵為5.8×10-6/K）實(shí)現(xiàn)良好匹配。在電子器件工作時，由于溫度變化，不同材料的熱膨脹差異會產(chǎn)生熱應(yīng)力，而金剛石銅與半導(dǎo)體材料相近的熱膨脹系數(shù)，能夠顯著降低熱應(yīng)力，提高器件的可靠性和使用壽命。

此外，金剛石銅還具備良好的綜合機(jī)械性能。它在保持高導(dǎo)熱性的同時，擁有較高的硬度，這使其能夠承受一定程度的外力作用而不易變形；低密度（約5.4g/cm3）的特點(diǎn)則使其在對重量有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域（如航空航天）具有明顯優(yōu)勢；優(yōu)異的耐磨性保證了其在長期使用過程中，性能的穩(wěn)定性和可靠性。

金剛石銅發(fā)展現(xiàn)狀

金剛石銅市場正處于“技術(shù)突破-產(chǎn)能擴(kuò)張-應(yīng)用放量”的關(guān)鍵階段，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2023年全球金剛石銅市場規(guī)模1.51億美元，中國占比21.65%（約32.76百萬美元），預(yù)計(jì)2030年全球達(dá)3.33億美元，中國份額將升至25%。當(dāng)前金剛石銅在熱沉市場中滲透率不足2%，伴隨成本下降與技術(shù)成熟，2027年有望突破10%。

美、日等國家在金剛石銅領(lǐng)域研究起步較早。據(jù)悉，日本住友電工（Sumitomo Electric）占據(jù)全球74.95%市場份額，其800 W/(m·K)高導(dǎo)熱產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)先；美國Materion、Element Six聚焦軍工及航天高端市場。美國安德斯諾公司開發(fā)的金剛石銅最高熱導(dǎo)率可達(dá)銅的3倍，金剛石銅、碳纖維鋁等已用于雷達(dá)的封裝基板、熱沉和宇宙飛船聚光光伏陣列構(gòu)件。

金剛石/銅復(fù)合材料，來源：元素六

中國廠商升華微電子、寧波賽墨科技有限公司等通過界面金屬化工藝突破，金剛石銅熱導(dǎo)率穩(wěn)定達(dá)600-800 W/(m·K)，成本較進(jìn)口低30%-40%，逐步切入華為、比亞迪供應(yīng)鏈。政策端，“十四五”新材料規(guī)劃將金剛石列為戰(zhàn)略前沿材料，國產(chǎn)CVD設(shè)備市場占有率預(yù)計(jì)2025年超40%，推動成本下降30%；2025年10月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《建材工業(yè)鼓勵推廣應(yīng)用的技術(shù)和產(chǎn)品目錄（2025年本）》。新版目錄共包含67項(xiàng)技術(shù)和產(chǎn)品，列入“高端化”的技術(shù)和產(chǎn)品共32項(xiàng)，其中就包括高導(dǎo)熱金剛石金屬復(fù)合材料。

小結(jié)

金剛石銅的崛起并非偶然，它是“結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用”協(xié)同發(fā)展的必然結(jié)果。當(dāng)產(chǎn)業(yè)界被“熱瓶頸”束縛發(fā)展腳步時，這種兼具超高導(dǎo)熱性、優(yōu)異力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的新材料，恰好提供了完美的解決方案。在國產(chǎn)替代浪潮與下游需求爆發(fā)的雙重驅(qū)動下，金剛石銅不僅將改寫電子封裝材料的競爭格局，更將為半導(dǎo)體、通信、新能源等戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的升級提供關(guān)鍵支撐，其成為產(chǎn)業(yè)界新焦點(diǎn)，實(shí)屬意料之中。

參考來源

曾婧等：電子封裝用金屬基復(fù)合材料的研究進(jìn)展

崔露露：金剛石增強(qiáng)銅基導(dǎo)熱材料研究進(jìn)展

QYResearch、先進(jìn)銅基材料、熱管理實(shí)驗(yàn)室ThermalLink